de technische wetenschappen
3 Mechanica van CiT constructies. Doorgaande verstedelijking en de transitie in
energievoorziening vergroten de noodzaak voor een veilige en duurzame ondersteunende infrastructuur in de samenleving. De toekomstige generatie van civieltechnische constructies (zoals bruggen, tunnels, gebouwen, windmolens, (spoor-)wegen en rioleringssystemen) zal daarom sterker, stijver, lichter en betrouwbaarder moeten zijn om aan alle constructieve en functionele eisen onder complexe milieu- en belastingcondities te kunnen voldoen. Dit vraagt om fundamenteel wetenschappelijk onderzoek ten behoeve van een optimaal constructief ontwerp, een efficiënt en arbeidsvriendelijk bouwproces, een hoogwaardig gebruik en een goedkoop onderhoud van de constructie.
Verhoogde eisen aan de veiligheid en de betrouwbaarheid van constructies worden gedreven vanuit de vermindering van de omvang van de risico’s (bijvoorbeeld bij aardbevingsbestendig bouwen) en door de toenemende vraag naar een modern constructief ontwerp. Hierbij wordt rekening gehouden met limieten in omvang, kosten, gewicht, multifunctionaliteit en duurzaamheid evenals de groeiende milieurisicofactoren ten gevolge van klimaatveran-deringen. Met behulp van automatisering kunnen civieltechnische constructies snel, nauwkeurig en autonoom worden gemaakt. Dit verhoogt de kwaliteit van de constructie en reduceert de bouwkosten, de milieubelasting en de fysieke arbeidsinspanning. Verschillende bouwtechnieken die gebruikmaken van geautomatiseerde regelsystemen zijn: 3D-printing van beton- en staalconstructies, 3D-printing van bekistingconstructies, automatische assemblage van zware constructiecomponenten in het bouwproces, de toepassing van morphing interfaces op constructies, smart structures, digitale fabricage en drones die muren metselen.
Duurzaamheid stelt specifieke eisen aan het vermogen van constructies om slijtage-, scheur- en degradatiemechanismen te weerstaan. Deze kunnen worden geïntroduceerd door verschillende fysische processen, zoals mechanische processen (denk aan golfvoortplanting, trillingen, impact, vermoeiing, contact en slijtage), chemische processen (zoals corrosie door vocht, sulfaataanval of oppervlaktebesmetting, of een rottingsproces veroorzaakt door biologische afbraak of chemische ontbinding), thermische processen (brand en verwarming) en vochtprocessen (waterpenetratie en condensatie). Ook het hergebruik van constructies draagt bij aan een langere levensduur (denk aan ontwerpen in demontabele bouwstenen en modules). De verdere ontwikkeling van multifysische rekenmodellen om het gedrag van constructies en constructiecomponenten te voorspellen is noodzakelijk, en de civieltechnische onderzoeksgroepen hebben hierin een uitstekende internationale reputatie. Vanwege de vele vrijheidsgraden is de modellering van gekoppelde fysische processen op constructieniveau
veelal rekenintensief. Dit vraagt om de ontwikkeling van efficiënte algoritmes die zijn afgestemd op het gebruik van parallel rekenen. De bewaking van duurzaamheid en milieuprestaties vereist de ontwikkeling van geavanceerde structural health monitoring technieken.
Behalve het gedrag van de constructie zelf, speelt ook de complexiteit van de belasting een grote rol in veiligheid- en duurzaamheidaspecten, bijvoorbeeld bij winddynamica (zoals wind op bruggen, hoogbouw en windmolens en ventilatie in tunnels). Door klimaatverandering zullen de sterkte en de frequentie van extreme weer- en windcondities naar verwachting toenemen, met als gevolg een grotere windbelasting op constructies. Recente ontwikkelingen en de toepassing van nature based engineering principes in de civiele techniek, een belangrijke innovatie waarin Nederland wereldwijd voorop loopt, vereisen geschikte rekenmodellen voor een gedegen inzicht in de fysica van luchtstroming en zandverplaatsing rond zeewaterkeringen. Om voorop te blijven lopen in de ontwikkeling van civieltechnische constructies en de opleiding van civieltechnische ingenieurs, is het dringend nodig om te investeren in kennisontwikkeling. Hierbij gaat het zowel om de ontwikkeling van rekenmodellen die specifiek geschikt zijn voor de ruimte- en tijdschalen voor civieltechnische constructies, als om experimenteel werk in laboratoria en het veld, ter kalibratie en validatie van de modellen.
4 Grondmechanica. Grondmechanica richt zich op de uitdagingen die het bouwen met, in, en op slappe grond in een dichtbebouwde delta met zich meebrengt. Onderzoek richt zich op het bepalen en modelleren van het korte- en langetermijngedrag van de ondiepe ondergrond, in het bijzonder het gedrag van slappe lagen bestaande uit organische kleien, veen en losgepakte verzadigde zandlagen. Er is veel aandacht voor de invloed van heterogeniteit van de ondergrond en het complexe modelleren van de interactie tussen constructies, grond, water en natuur. Doorgaande verstedelijking, waardoor er minder vrije ruimte is en minder acceptatie van hinder, levert in toenemende mate beperkingen op bij nieuwbouw, verbouw en renovatie van infrastructuur. Een nauwkeurigere bepaling van de grondconstructie-interactie is van groot belang om ontwikkelingen in de bebouwde omgeving te kunnen realiseren met minimale verstoring.
Een ander aandachtspunt is de invloed van klimaatverandering op het gedrag van grond. Afwisselende perioden van droogte en extreme neerslag hebben hun weerslag op het gedrag van grond en grondconstructies, en daardoor op de stabiliteit van dijken (waterveiligheid) en wegconstructies (denk aan sink holes). De grondmechanische analyse van instabiliteiten in dijken en de ondiepe ondergrond (bijvoorbeeld liquefaction) is een belangrijk onderzoeksthema, gekoppeld aan de ontwikkeling van grondverstevigingstechnieken, zoals bacteriegebaseerde grondstabilisatie, het toepassen van wapeningssystemen (geotextielen) en versterking via dynamische verdichting.
De toenemende omvang en complexiteit van civieltechnische projecten enerzijds, en de bewustwording dat beheersing van geotechnische risico’s van primair belang is voor het technisch en economisch slagen van projecten anderzijds, zorgt ook voor een toenemende vraag naar geotechnisch opgeleide ingenieurs, zowel bij opdrachtgevers, ingenieursbureaus en aannemers. Om het bovengenoemde fundamentele onderzoek te versterken en om aan de capaciteitsvraag te voldoen is uitbreiding van de opleidings- en onderzoekscapaciteit noodzakelijk.
Met een enorme tank onderzoekt promovendus Arash Maghsoudloo (TUD) de zeebodem bij de Oosterscheldekering. Door erosie kunnen gaten en hellingen in de zeebodem ontstaan. Wanneer treedt het fenomeen ‘statische liquefactie’ op en zal de helling gaan schuiven?
Foto: Frank Auperlé
De speerpunten zijn in overleg tot stand gekomen en geven uitdrukking aan de gezamenlijke inzet om scherpe keuzes te maken voor de versterking van de landelijke en internationaal toonaangevende focusgebieden. Bij een aantal faculteiten, die relatief bescheiden zijn in omvang van wetenschappelijke staf of aanwezige expertises, is ervoor gekozen om de versterking op een kleiner aantal focusgebieden te concentreren.
Tabel 11 – De universiteiten die willen en kunnen bijdragen aan de beoogde versterking van de focusgebieden in de civiele techniek
Focusgebied TUD TU/e UT WUR
Vloeistofmechanica voor CiT constructies
• • •
Fysica van CiT materialen
• •
Mechanica van CiT constructies
• • •
Onderstaande tabel toont de aantallen studenten en wetenschappelijk staf van de laatste jaren en de ambities voor 2024. Deze getallen zijn de optelsom van de door de universiteiten aangeleverde voorlopige cijfers. In de uiteindelijke sectorplannen zullen deze getallen met duidelijke aanwijzingen worden weergegeven per universiteit.
Tabel 12 – Ontwikkeling en prognose van student- en stafgegevens in de civiele techniek
Civiele Techniek 2016 2017 2018 2024
aantallen ingeschreven studenten % vrouwelijke studenten 3.368 28% 3.538 29% 3.703 29% 4.339 35% vast wetenschappelijk personeel in fte
% vrouwelijk vast personeel
119 15% 122 17% 121 19% 156 27% tijdelijk wetenschappelijk personeel in fte
% vrouwelijk tijdelijk personeel
412 30% 423 30% 405 30% 449 36%